Química Orgánica Biología

José Luis Ravelo – Dpto. de Q.O.

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TEMA 1 ALCANOS Y CICLOALCANOS

1.1- INTRODUCCIÓN: Química: Ciencia que estudia la composición, las propiedades y las transformaciones de la materia.

ESTRUCTURA Técnicas de elucidación

estructural

REACTIVIDAD Mecanismos de

reacción

SÍNTESIS Diseño de métodos

eficientes

APLICACIONES Desarrollo industrial, bilógico,

médico...

Los hitos más importantes de esta disciplina son los siguientes, sin ánimos de ser exhaustivos:

Finales del XVIII

• El enigma de la Química Orgánica: La fuerza vital. • Se observa que los compuestos orgánicos están formados por un

número muy limitado de elementos.

Principios del XIX

• Se intuyen ciertos visos de ordenamiento estructural. • Se establece la ley de proporciones múltiples.

1820

• Síntesis de la urea: se tiende el puente entre la Química Inorgánica y la Orgánica.

• Se mejora la precisión del análisis elemental. • Se produce una complicación insospechada: la isomería.

1830 • Los radicales orgánicos como un principio de ordenación. • El descubrimiento y la profusión de los radicales orgánicos.

1830-1840 • Orden entre los radicales orgánicos: la sustitución. • Definición de radicales derivados.

1840-1850 • Ordenación por tipos de compuestos. • La unificación de radicales y tipos.

1850 • Estructura interna de los radicales: la tetravalencia del carbono y

su capacidad para formar cadenas.

1860 • Primeras formulaciones modernas.

La Química Orgánica es la parte de la química que estudia

los Compuestos de Carbono

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1870 • Estructura tetraédrica del carbono: isomería óptica.

1880 • Estructura hexagonal del benceno.

1930-1940

• Planteamiento de la Teoría de la Resonancia. • Desarrollo de la Espectroscopía de rayos X. • Desarrollo de la Espectrometría de masas.

1950 • Análisis conformacional: estereoquímica del ciclohexano. • Descubrimiento de la Resonancia Magnética Nuclear.

Y además para darse cuenta de la importancia de esta disciplina:

Más del 95% de las sustancias químicas conocidas son compuestos del carbono y más de la mitad de los químicos actuales en el mundo se denominan a sí mismos químicos

orgánicos.

Todos los compuestos responsables de la vida (ácidos nucleicos, proteínas, enzimas, hormonas, azúcares, lípidos, vitaminas, etc.)

son sustancias orgánicas.

El progreso de la Química Orgánica permite profundizar en el esclarecimiento de los procesos vitales.

La industria química (fármacos, polímeros, pesticidas, herbicidas, etc.) juega un papel muy importante en la economía mundial e incide en muchos aspectos de nuestra vida

diaria con sus productos.

Intelectualmente es muy estimulante puesto que:

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• Posee una estructura muy lógica. • Hace un uso considerable de símbolos lógicos. • Utiliza el principio de analogía y el razonamiento deductivo. • Se caracteriza por un cierto contenido artístico.

1.2- GRUPOS FUNCIONALES: CENTROS DE REACTIVIDAD Las moléculas orgánicas se clasifican según su reactividad química. Los átomos o agrupaciones de átomos tienden a ser centros de reactividad química comparativamente mayor y se denominan “Grupos Funcionales”.

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1.3- NOMENCLATURA:

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry).

Los alcanos son hidrocarburos alifáticos su fórmula empírica: CnH2n+2. El término Cicloalcano se trata de hidrocarburos alifáticos saturados cíclicos, su fórmula empírica: CnH2n.

• La cadena más larga es la cadena principal.

• Se añade a la raíz la terminación –ano.

El prefijo ciclo-, colocado inmediatamente antes del nombre fundamental.

• La cadena principal es la que más sustituyentes tenga.

• Los sustituyentes tienen que quedar con los números localizadores más pequeños.

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• Si se compara una serie de localizadores con otra, la más baja es la correcta.

• Los sustituyentes toman el nombre del alcano correspondiente (ver tabla), sustituyendo la terminación -ano por -ilo.

• Si hay varios sustituyentes iguales, se utilizarán los prefijos di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, etc., si bien cada grupo recibe su propio número.

• Cuando existan dos o más sustituyentes en posiciones equivalentes, se asigna el número menor al que se cite por orden alfabético.

• A los sustituyentes complejos se les nombra como derivados de la cadena carbonada más larga. La descripción del sustituyente se distingue de la que corresponde a la cadena principal encerrándola entre paréntesis.

• Los sustituyentes se nombran por orden alfabético. Los prefijos di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, sec-, tert-, no se cuentan a la hora de establecer el orden alfabético. Los iso-, neo-, ciclo- en cambio sí.

n Nombre (-ano) Fórmula (CnH2n+2)

n Nombre (-ano) Fórmula (CnH2n+2)

1 metano CH4 10 decano CH3(CH2)8CH3

2 etano CH3CH3 11 undecano CH3(CH2)9CH3

3 propano CH3CH2CH3 12 dodecano CH3(CH2)10CH3

4 butano CH3(CH2)2CH3 13 tridecano CH3(CH2)11CH3

4 isobutano (CH3)3CH 14 tetradecano CH3(CH2)12CH3

5 pentano CH3(CH2)3CH3 15 pentadecano CH3(CH2)13CH3

5 isopentano (CH3)2CHCH2CH3 20 eicosano CH3(CH2)18CH3

5 neopentano (CH3)4C 21 heneicosano CH3(CH2)19CH3

6 hexano CH3(CH2)4CH3 22 docosano CH3(CH2)20CH3

7 heptano CH3(CH2)5CH3 30 triacontano CH3(CH2)28CH3

8 octano CH3(CH2)6CH3 40 tetracontano CH3(CH2)38CH3

9 nonano CH3(CH2)7CH3 50 pentacontano CH3(CH2)48CH3

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Ejemplos:

Ciclopropano Ciclohexano 1,2-Dimetilciclohexano

1.4- PROPIEDADES FISICAS DE ALCANOS

Ángulos cercanos a 109º y longitudes de enlace C-H ( 1.10 A) y C-C (1.54 A).

Estado físico varía desde el gaseoso, pasando por una consistencia de líquidos densos y viscosos, hasta el sólido.

Carácter apolar, el punto de ebullición de los alcanos es inferior al de otros muchos compuestos orgánicos con pesos moleculares semejantes. Ejemplos: El etano es -89ºC, el del CH3OH es 66ºC.

1.5- ANÁLISIS CONFORMACIONAL

Ordenamientos atómicos diferentes que pueden intercambiarse por rotación en torno a enlaces simples se denominan “Conformaciones”. Representación “Caballete”:

Confórmero eclipsado: Confórmero alternado:

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Confórmero alternado, anti, donde los grupos más voluminosos están lo más alejados posible:

Proyecciones “Newman”:

Representación “Caballete”:

Cada una de estas conformaciones por separado, se denominan confórmeros o rotámeros.

Representación del 2, 3-butanodiol:

Al estudio del comportamiento termodinámico y cinético se denomina análisis conformacional.

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Diagrama de energía potencial:

60º 120º 180º 240º 300º0º

energía potencial

H H

H

H

H H

H H

H

H H

H

H H

H

H

H H

H H

H

H

H H

H H

H

H H

H

H H

H

H H

H

Ea

Est

ado

de t

ran

sici

ón

Grado de rotación

H H

H

H

H H

H H

H

H H

H

E.T.

El butano:

H H

CH3

CH3

H H

H H

CH3

H CH3

H

H H

CH3

H

H CH3

H H

CH3

H

H3C H

H H

CH3

H H

H3C

H H

CH3

H3C H

H

60º 60º 60º 60º 60º

alternadaanti

+ estable

alternadagauche

alternadagauche

eclipsada eclipsada- estable

eclipsada

A B C D E F

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60º 120º 180º 240º 300º0º

energía po

tencial

A

B

C

D

E

F

Cicloalcanos:

En 1885, Adolf Von Baeyer propuso una teoría para justificar ciertos aspectos de la química de compuestos cíclicos.

Recordemos que el calor de combustión es la cantidad de calor que se desprende cuando se quema un mol de un compuesto a dióxido de carbono y agua.

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Para los alcanos de cadena abierta, cada grupo metileno (CH2), contribuye con un valor muy cercano a 157´4 Kcal/mol al calor de combustión.

¿Qué falla en la teoría de Baeyer?

CH2Y

CH2Y

CH2

CH2

CH2Y

CH2Y

CH2Y

CH2Y

+CH2

CH2Y

H2C

YH2C

Inestabilidad de ciertos cicloalcanos:

a) Tensión torsional. ; b) Tensión estérica. ; c) Tensión angular.

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El Ciclohexano:

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Forma Bote.

Forma Twist.

Características de la conformación del ciclohexano:.

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Metilciclohexano:

Interacciones 1,3-diaxiales.

Cicloalcanos disustituidos: El cis-1,2-dimetil-ciclohexano:

El trans-1,2-dimetil-ciclohexano:

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El cis-1-3-dimetil-ciclohexano:

El trans-1,3-dimetilciclohexano:

El cis-1,4-dimetilciclohexano:

1.6- REACCIONES DE LOS ALCANOS. Se muestra la energía de disociación de algunos enlaces:

R-X -H -F -Cl -Br -I -OH -NH2

H- 104 135 103 87 71 119 107

Prn- 98 107 81 68 53 91 78

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- Ruptura homolítica u homolisis:

Aparece el concepto de radical libre:

Átomo de carbono trivalente, neutro, presenta una geometría piramidal, posee siete electrones y un orbital con un electrón desapareado. - Ruptura heterolítica o heterolisis:

1.6.1- Combustión de alcanos: